GPS与InSAR数据融合在矿山开采沉陷形变监测中的应用探讨

第32卷第1期

2007年1月

测绘科学

Science of Surveying and M app ing

Vol 132No 11

Jan 1

作者简介:独知行(1965Ο

),男,江苏沛县人,博士,教授,博士生导师,主要从事GPS 理论与应用、空间数据的物理解释、I nS AR 、变形监测与分析等方向的研究。E Οmail:zhixingdu65@1631com

收稿日期:2006Ο04Ο13

基金项目:青岛市自然科学基金(04Ο2ΟJZ Ο101);基础地理信息与数字化

山东省重点实验室基金(S D040214)

GPS 与I nSAR 数据融合在矿山开采

沉陷形变监测中的应用探讨

独知行①

,阳凡林①

,刘国林①

,温兴水

②

(①山东科技大学地球信息科学与工程学院,山东青岛　266510;②山东肥城矿业集团公司,山东肥城　271601)

【摘　要】GPS 与I nS AR 数据融合具有重要的研究意义,本文分析了传统测量方法在矿山开采沉陷形变监测中的

不足,讨论了GPS 与I nS AR 数据融合的技术优势及其在I nS AR 相位解缠算法、水汽模型和大气层延迟误差改正模型、时间域与空间域的融合模型和算法等方面研究内容,提出了GPS 与I nS AR 数据融合的研究特点与具体方法,并给出了比较详细的研究方案。【关键词】GPS;I nS AR;数据融合;矿山开采沉陷;相位解缠;大气层延迟模型【中图分类号】TP196;P258 【文献标识码】A 【文章编号】1009Ο2307(2007)01Ο0055Ο03

1　引言

矿山大面积的开采在地表出现了地面形变和地面沉降,其影响范围可达几十到几百k m 2,由此引起的地形和水文的变化在相当大的程度上破坏了耕地、建筑物及其他基础设施。长期以来,人们一直致力于因开采所产生的破坏的研究与治理[1,2]。

矿山开采造成的地面沉降一直是矿山工作者关注的热点。在相当长的一段时间里,矿山开采地面沉降监测的手段和方法并未有较大变革。传统监测手段和方法的有效性被广泛重视和利用,但其在应用过程中暴露出的不足显而易见,归结为:①观测过程长,所用经费高;②观测标志的保存与维护比较困难;③获取数据为离散点形变信息,难以反映连续形变规律。I nS AR 是极具潜力的空间对地观测新技术,其高分辨率和连续空间覆盖特征是已有对地监测方法如GPS,VLB I 和S LR 等所不具备的,它在沉降监测方面所表现出的优势已被多个范例所验证[3]。因此,利用I nS AR 技术开展矿山开采沉陷形变监测的研究具有重要的应用价值。目前,该方面的研究成果在国际上并不多见,在我国尚处于起步阶段。GPS 是一门较为成熟的技术,在许多领域得到了有效应用,其与I nS AR 技术具有较强的互补性,将GPS 和I nS AR 技术融合可以获得更高精度和更有效的成果[4]。鉴于我国矿山开采造成地面沉降的性质和特点,开展GPS 与I nS AR 数据融合的研究并加以应用,将具有较好的针对性和重要的研究意义。

本文针对该方向研究的技术优势、研究特点和研究方案做一阐述和探讨。

2　数据融合的技术优势

合成孔径雷达干涉(Synthetic Aperture Radar I nterfer ome 2

try,简称I nS AR )是新近发展起来的空间遥感技术,机载或星载合成孔径雷达通过微波对地球表面主动成像,记录地面分辨元的雷达后向散射强度信息和与斜距有关的相位信息。对覆盖同一地区的2幅雷达图像的联合处理可以提取出相位差图(即干涉图),建立数字高程模型(DE M );三幅或三幅以上雷达图像的二次差分干涉相位图被用来提取地球表面形变信息,如地震形变、火山运动、冰川漂移、地面下沉以及山体滑坡等,观测精度可以达到c m 级甚至mm 级的量级,这是一种扩展的I nS AR 称为差分干涉(简称D ΟI nS AR )。它具有比GPS 更高的垂直形变观测精度、采样密度高(100m 之内)、空间延续性好、非接触性和无需建立地面接收站等优点,被认为是前所未有极具潜力的空间对地观测新技术[4,5]。

I nS AR 作为一种空间对地监测手段,它的数据质量主要受到S AR 卫星轨道误差、系统热噪声去相关、多普勒质心去相关、空间基线去相关、地面散射去相关、时变去相关、大气层延迟误差、地形畸变、数据处理过程噪声等因素影响,在这些方面不同S AR 卫星存在不同程度的表现,不同原因产生不同的结果。为此,可以采用不同的方法或模型减弱或消除这些影响。利用获得的精密星历可以减少卫星轨道误差,如ERS Ο1和ERS Ο2卫星从荷兰D elft 大学空间对地观测研究组(D EOS )获取精密星历减小轨道误差[6Ο8];通过信噪比值(S NR )来确定系统热噪声对相位的影响是一个很好的办法,得到普遍应用[9Ο12];多普勒去相关一般可以通过方位向滤波消除,地面散射去相关利用散射去相关对地面变形量影响的关系式加以确定[4,9Ο14],依据基线长度选择合适的干涉像对可以消除基线去相关的影响;I nS AR 时间序列数据库方法和永久性散射方法是削弱时变去相关影响所采用的两种新方法[15,16];减弱大气层延迟误差主要采用的方法包括利用InS AR 图像建立水汽模型对I nS AR 数据进行改正[14,17Ο22]。随着研究和应用的深入,对于影响I nS AR 数据质量的众多误差项的处理还将会有很好的发展和改进。但InS AR 仍具有自身难以克服的诸多问题,如大气层延迟、卫星轨道误差、地表状况和时变去相关性及时间分辨率等影响,迫切需要其他对地观测技术的参与[23Ο29]。

GPS 是一种高精度的对地观测技术,能较精确地确定电离层、对流层参数,具有非常好的定位精度和时间分辨率。比较InS AR 与GPS 两种技术,其互补性主要表现为:①GPS 定位精度高,定位精度已达10-8～10-9,但是其空间分辨率较低,GPS 基线长度需要几至几百km ,而I nS AR 提供的是整个区域面上的连续信息;②